计算机组成原理课件1概论

计算机组成原理

ComputerOrganization

主讲：杨旭东江苏大学计算机学院Tel:(0511)88780372×528E-mail:

2教学及学习方法在专业中的地位与性质教学及学习方法本课程特点掌握三基本基本组成基本原理基本分析方法目标：建立整机的概念教学与学习方法：整体——>局部

——>整体3实验和课程设计实践环节实验（地点：计算机楼203）：部件设计第2周做实验一，请班长第1周去实验室办公室（311）安排时间实验报告已印刷成册，须人手一本课程设计（学期末）：CPU设计三个层次的要求Base（基础层次）验证型Standard（标准层次）有限设计型Advanced（高级层次）创新设计型必须先完成低层次的，才能转向高一层次4考核考核笔试：70％实验：15％平时：15％5网上资源网上资源课程组主页教学大纲、课件，实验、课程设计资料实验室网站老版本实验资源第一章概论什么是计算机：具有快速运算能力、逻辑判断功能、存储功能的电子设备;是不需要人工干预的信息处理自动机。71.1计算机发展概况第一台数字电子计算机ENIAC，1946年2月于美国宾西法尼亚州投入运行。ENIAC——ElectronicNumericalIntegeratorAndCalculator电子数字积分和计算器8冯.诺依曼(VonNeumann)计算机主要特点

采用二进制 原因：具有两个稳定状态的电子器件容易实现基数小运算规则简单1和0与真和假相对应易于实现逻辑运算抗干扰能力强、可靠性高存储程序控制程序存储程序控制由运算器、存储器、控制器、输入设备和输出设备五大部件组成计算机系统9计算机的迅速发展Eniac,1946（第一台计算机）电脑手机神舟七号10计算机的发展阶段第一代：电子管计算机（1946-1957）逻辑元件：电子管，延迟线运算速度：几万次/秒第二代：晶体管计算机（1958-1964）逻辑元件：晶体管，磁芯运算速度：几十万次/秒第三代：集成电路计算机（1964-1972）逻辑元件：中小规模IC(集成电路)，磁盘运算速度：几百万次/秒第四代：大规模集成电路计算机（1972~）逻辑元件：大规模集成电路(LSI)，超大规模IC(VLSI)LSI:1~2万管/片；VLSI:10万管/片；SLSI:10万管以上/片11IT行业的神话——摩尔定律1965年4月，Intel公司创始人戈登·摩尔在第8期《Electronics》杂志上，发表了一篇文章，指出集成电路芯片的容量会逐年递增翻番，而价格上则是相应的逐年递减，并认为工艺技术的进步使计算机性能保持非常有规律的几何级数增长。这种论断后来被业界称为“摩尔定律”。1975年，他做了一些修正，将翻番的时间从一年调整为18～24个月。（可从课程网页下载这篇论文）12Intel微处理器对摩尔定律的印证YearofintroductionTransistorsTechnology400419712,25010micron800819722,500808019745,0006micron8086197829,0003.0micron2861982120,0001.5micron386™processor1985275,0001.0micron486™DXprocessor19891,180,0001.0micronPentium®processor19933,100,0000.8micron*PentiumIIprocessor19977,500,0000.35micron*PentiumIIIprocessor199924,000,0000.25micron*Pentium4processor200042,000,0000.18micron*资料来源：*首批上市时的数据13Intel微处理器对摩尔定律的印证资料来源：14Moore'sLawforIntelCPUsDateIntelTransistorsTechnology

CPU(x1000)

1971.5040042.3

1978.758086312.0micron1982.7580286110HMOS1985.2580386280

0.8micronCMOS1989.75804861200

1993.25Pentium(P5)31000.8micronbiCMOS1995.25

PentiumPro(P6)55000.6micron--0.25?资料来源：15计算机的发展第五代：智能计算机第六代：生物计算机发展趋势高性能无处不在网络化智能模拟161.2计算机硬件系统存储器控制器

运算器输入设备输出设备程序数据地址指令数据结果结果存储器17主存储器（MainMemory）

功用：存放程序、数据。基本结构：

◆

存储体MB◆单元：一组二进制信息，存放指令字、数据字。

◆字长：每单元的位数。8位、16位、32位······特点：按地址存取（访问）MemoryAddressRegisterMemoryDataRegister00010…..100101…..101011…..001101…..010000…..1………18运算器ALU(ArithmeticLogicUnit)

功用：算术、逻辑运算。结构：运算器的字长一次整数加法运算所能处理的二进制数据的位数

19控制器（CONTROLLER）

功用：依据指令产生操作控制信号

◆程序：指令的有序集合。组成：

◆程序计数器PC

（ProgramCounter）

存放将要执行的指令的地址（指向存储单元），具有自增功能。

◆指令寄存器IR

（InstructionRegister）存放当前正在执行的指令◆指令译码器ID

（InstructionDecoder）分析指令◆时序部件（Sequencer）◆控制信号发生器

20输入/输出设备（Input/OutputDevice）低速：键盘、打印机高速：外存（硬盘）、显示器CPU(CentralProcessingUnit)

运算器+控制器计算机主机运算器+控制器+存储器计算机系统运算器+控制器+存储器+输入/输出设备21总线（BUS）概念及组成总线——能为系统中多个部件分时

共享的一组信息传输线及相关逻辑。共享：总线所连的各部件通过它来传递信息。分时：某一时刻只允许一个部件向总线发送信息对照：冯.诺依曼结构22总线（BUS）分时共享的硬件保障：三态门输出使能高阻态EN

DINENDOUTDOUTDINEN或逻辑部件输出使能数据输出输据输入总线（a）三态缓冲器的逻辑符号（b）逻辑部件与总线间的三态隔离123总线（BUS）总线的分类：按作用分类：数据总线、地址总线、控制总线按传输方向分类：单向总线、双向总线按位置分类：内部总线、系统总线、外部总线241.3 程序设计语言和计算机的层次结构机器语言硬件能够识别的二进制编码，即指令（Instruction）汇编语言以助记符描述的指令，即汇编指令与机器语言的指令一一对应高级语言与机器语言的指令没有简单的对应关系无需了解硬件高级语言层汇编语言层机器语言层汇编器编译器25计算机的层次结构模型高级语言层硬件逻辑层汇编语言层操作系统层机器语言层26计算机系统的层次结构应用软件虚拟机系统软件虚拟机物理机（属计算机原理范围）用户软件工程师软件工程师计算机操作员计算机系统设计人员硬件工程师第2级操作系统级第5级应用程序级第4级高级语言级第3级汇编语言级第1级机器语言级第0级微程序级逻辑线路271.4 计算机的主要性能指标机器字长计算机进行一次整数运算所能处理的二进制数据的位数即运算器进行定点数运算的字长通常也是CPU内部数据通路的宽度与主存储器字长可以是相同的，也可以不相同不相同时，一般是主存储器字长小于机器字长，会降低CPU的工作效率281.4 计算机的主要性能指标运行速度MFLOPS（MillionFloating-pointOperationsPerSecond）

每秒执行多少百万次浮点运算MFLOPS取决于机器和程序两个方面基准测试程序（Benchmark）

LinpackWhetstone291.4 计算机的主要性能指标运行速度CPI（CyclesPerInstruction）执行每条指令所需的平均时钟周期数MIPS（MillionInstructionPerSecond）单位时间内执行指令的平均条数301.4 计算机的主要性能指标以机器主频衡量机器的运行速度主频与CPI、MIPS之间的关系

CPI不变时，主频越高，速度越快31本章小结

冯.诺依曼结构特点计算机的组成部件计算机的主要性能指标作业1.1 冯•诺依曼结构的主要设计思想是什么？1.2 计算机系统有哪五大部件组成？其中主机包含哪些部件？CPU包含哪些部件？1.3 解释存储器字长、运算器字长和机器字长的概念，它们之间有什么关系？1.4 什么是总线？三态缓冲器作为总线应用中必不可少的逻辑元件，它有哪些特性和作用？32计算机的分类-费林分类法单指令流单数据流计算机（SISD）本课程主要学习的CUPUMMCSDSIS控制部件执行部件主存控制流数据流指令流33计算机的分类（续）-费林分类法单指令流多数据流计算机(SIMD)CUPU1PU2PUnMM1MM2MMn…………